§19-3  雙重數列

下標從一個變成兩個之後,收斂該怎麼定義?不必先知道極限的 Cauchy 判準還成立嗎?而「先固定列再取極限、然後對列取極限」與「兩個下標一起跑」,是不是同一件事?

下標從一個變成兩個

小學的乘法表:第 m 列第 n 行寫著 m × n。要問這張表「往右下角走會怎樣」,其實有好幾種走法——沿著某一列一直往右、沿著某一行一直往下、或者兩個方向同時推進。走法不同,看到的東西也可能不同。

把表格裡的數字換成一般的元素,就得到本篇的主角:兩個下標的數列。它在分析裡出現得比想像中頻繁——級數的重排、逐項微分、多重積分的換序,背後都是同一個問題:兩個極限的次序能不能交換。

本篇先把「兩個下標一起跑」的收斂定義清楚,並補上不必事先知道極限的判準;接著把「先跑一個、再跑另一個」也定義出來。兩者的關係留到後面兩篇。

19.4  DEFINITION
A double sequence in ℝᵖ is a function X with domain ℕ × ℕ and values in ℝᵖ; its value at (m, n) is written xₘₙ and the whole function is written X = (xₘₙ). In the customary array the first index names the row and the second the column.
An element x is a limit (or double limit) of X in case for each ε > 0 there is N(ε) ∈ ℕ such that ‖xₘₙ − x‖ < ε for all m, n ≥ N(ε). One then writes x = lim (xₘₙ).
雙重數列就是把下標換成一對自然數,可以排成一張無窮的表格。雙重極限要求的是:表格右下角那一整塊(兩個下標都夠大)全部落進以 x 為心的 ε 球裡。
正例:xₘₙ = 1/(m + n) 的雙重極限是 0——m, n ≥ N 時 1/(m + n) ≤ 1/(2N),取 N 夠大即可。反例:xₘₙ = m/(m + n) 沒有雙重極限——不論 N 取多大,右下角那塊裡既有 x_{N,N²}(接近 0)也有 x_{N², N}(接近 1)。兩個下標同時夠大,並不表示它們的相對大小受到控制。
123 456 123 45 n m m, n ≥ N 雙重極限:右下角整塊都要進 ε 球

這張圖在說 19.4 要求的是什麼:不是某一列、也不是某一行,而是右下角那一整塊都得落進 ε 球。這個要求比「對角線收斂」強(把 m 與 n 都取成同一個 k ≥ N 即得);與「每一列各自收斂」則互不蘊涵——後面兩篇的例子會把這些差別一一拆開。

例 6xₘₙ = 1/(m + n)
最簡單的一張表長什麼樣?
  1. 當 m, n ≥ N 時 m + n ≥ 2N,所以 0 < 1/(m + n) ≤ 1/(2N)。給定 ε > 0,由 §6-3 的 6.7 取 N 使 1/(2N) < ε,右下角那一整塊就全部落進 ε 之內。所以雙重極限是 0。
  2. 這張表三種讀法給的答案一致:沿第一列往右是 1/(1 + n) → 0,沿對角線是 1/(2k) → 0,整塊右下角也趨於 0。三者一致是這個例子的性質,不是通例——本篇最後的例 7 就會示範它們分道揚鑣的情形。
雙重極限的驗算方式與單下標時相同:找一個只含 N 的上界,再把它壓到 ε 以下。

雙重數列的基本理論幾乎照搬單一下標的版本。極限唯一(證法與 14.5 一字不改:兩個相異的極限各取一半距離的球,右下角那塊得同時進兩個不相交的球)、四則運算(證法與 15.6 相同)都成立。真正需要重寫的只有 Cauchy 判準,因為「夠大」現在牽涉四個下標。

19.5  CAUCHY CRITERION
A double sequence X = (xₘₙ) in ℝᵖ is convergent if and only if for each ε > 0 there is M(ε) ∈ ℕ such that ‖xₘₙ − x_{rs}‖ < ε for all m, n, r, s ≥ M(ε).
右下角那一塊裡任意兩個元素都靠得夠近,就足以斷定雙重極限存在——和 16.10 一樣,不必事先知道極限是誰。
正例:xₘₙ = 1/(m + n) 滿足判準——m, n, r, s ≥ M 時兩個值都落在 (0, 1/(2M)] 裡,相差不超過 1/(2M)。反例:條件裡的四個下標不能減成兩個——若只要求「‖x_{kk} − x_{ll}‖ 對夠大的 k, l 很小」(也就是只看對角線),xₘₙ = m/(m + n) 就會過關(對角線恆為 1/2),可是它沒有雙重極限。
PROOF

本讀本補上這條的證明。正方向是一次三角不等式;反方向的難處在於手上沒有候選極限,得先造一個出來。

證明計畫 · 由所求想起
正方向:所求是兩個元素靠得近。各自繞經極限 x,各分 ε/2。
反方向:所求是一個極限。沿對角線取出普通的數列 (x_{kk})——四個下標同時取成 k 與 l 時,判準正好說它是 Cauchy 數列,完備性由 16.10 提供,極限就這樣造出來。最後把「離對角線上的點很近」過極限成「離 x 很近」。

Proof.  Suppose x = lim (xₘₙ) and let ε > 0. Take M(ε) = N(ε/2) from Definition 19.4. If m, n, r, s ≥ M(ε), then ‖xₘₙ − x_{rs}‖ ≤ ‖xₘₙ − x‖ + ‖x − x_{rs}‖ < ε/2 + ε/2 = ε.
正方向與 §16-4 的 16.7(收斂必為 Cauchy)是同一個動作:兩個元素都繞經極限,各分掉一半的預算。這裡唯一要留意的是四個下標各自獨立——(m, n) 與 (r, s) 沒有任何關係,但它們都在右下角那一塊裡,所以兩次估計用的是同一個起算點。
Conversely, assume the stated condition. Given ε > 0 and k, l ≥ M(ε), apply it with (m, n) = (k, k) and (r, s) = (l, l) to get ‖x_{kk} − x_{ll}‖ < ε. Thus the diagonal sequence (x_{kk} : k ∈ ℕ) is a Cauchy sequence in ℝᵖ, and by 16.10 it converges to some x ∈ ℝᵖ.
這一步的所求:一個候選極限。對角線只是四個下標的一種取法——把 (m, n) 與 (r, s) 都取成相同的一對,判準立刻退化成 16.6 的 Cauchy 條件,於是 §16-5 的 16.10(Cauchy 收斂判準)把極限交出來。完備性向底層的 ℝᵖ 借,這一點與 17.11 的做法相同。要注意這只證明了對角線收斂,還沒有證整張表收斂——反例欄裡的 m/(m + n) 正是對角線收斂卻整張表不收斂的例子,所以下一步不能省。
Let ε > 0 and put M = M(ε/2). Fix m, n ≥ M. For every k ≥ M the hypothesis gives ‖xₘₙ − x_{kk}‖ < ε/2. The real sequence aₖ = ‖xₘₙ − x_{kk}‖ converges to ‖xₘₙ − x‖, since |aₖ − ‖xₘₙ − x‖| ≤ ‖x_{kk} − x‖ → 0. Hence 15.8 gives ‖xₘₙ − x‖ ≤ ε/2 < ε, and therefore x = lim (xₘₙ).
最後一步把估計從對角線上的點拉回 x。手法是固定 m 與 n、只讓 k 跑:這樣 aₖ 就是一條普通的實數列,而它收斂到 ‖xₘₙ − x‖(由三角不等式,兩個長度的差不超過差的長度)。每個 aₖ 都小於 ε/2,過極限之後由 15.8 只保得住 ≤ ε/2——嚴格不等式過極限會鬆一格,所以一開始就用 ε/2 預留了空間。
雙重數列也有不必事先知道極限的判準,代價只是條件裡的下標從兩個變成四個。∎

先固定一個下標:迭代極限

一張表格還有另一種讀法:把每一列各自看成一條數列。第 m 列是 Yₘ = (xₘₙ : n ∈ ℕ),它是普通的單下標數列,可以問它收不收斂。如果每一列都收斂,就得到一串新的元素 y₁, y₂, y₃, ⋯——它們本身又構成一條數列,於是可以再問一次收不收斂。

這兩層極限合起來,寫成 limₘ limₙ (xₘₙ)。行的方向同法。這與雙重極限是兩件不同的事:雙重極限一次讓兩個下標跑掉,迭代極限則規定了先後次序。

DEFINITION
Regard the m-th row of the array as the sequence Yₘ = (xₘₙ : n ∈ ℕ). Suppose each Yₘ converges, say to yₘ, and that the sequence (yₘ) converges. Its limit is called the row iterated limit of X and is written limₘ limₙ (xₘₙ).
Regarding the n-th column as Zₙ = (xₘₙ : m ∈ ℕ) with limits zₙ and proceeding in the same way gives the column iterated limit limₙ limₘ (xₘₙ).
先固定列號、讓行號跑掉,得到每一列的極限;再讓列號跑掉。這兩層極限合起來叫列迭代極限,行的方向同法。
正例:xₘₙ = 1/(m + n)。每一列都收斂到 yₘ = 0,而 (yₘ) 收斂到 0,所以列迭代極限是 0——與它的雙重極限一致。反例:迭代極限可能寫不出來——只要有一列不收斂,內層的 yₘ 就不存在,整個式子連定義都沒有,談不上等不等於雙重極限。例 7 正是這種情形。
例 7雙重極限存在,兩個迭代極限卻都不存在
既然雙重極限是比較強的要求,它成立之後迭代極限會不會自動跟上?
  1. 取 xₘₙ = (−1)^{m+n} (1/m + 1/n)。
  2. 雙重極限存在且為 0。因為 |xₘₙ| = 1/m + 1/n,所以 m, n ≥ N 時 |xₘₙ| ≤ 2/N。給定 ε > 0,由 6.7 取 N 使 2/N < ε 即可。
  3. 可是沒有一列收斂。固定 m,看第 m 列 Yₘ = (xₘₙ : n ∈ ℕ)。取 n 為偶數的那條子數列,值是 (−1)^m (1/m + 1/n) → (−1)^m/m;取 n 為奇數的那條,值趨於 −(−1)^m/m。兩條子數列的極限相差 2/m ≠ 0,由 15.2(收斂被每個子數列繼承),Yₘ 不可能收斂。
  4. 列的方向如此,行的方向由對稱性也是如此。所以兩個迭代極限都不存在——不是「存在但不相等」,是連內層那一步都跨不過去。
2.00−1.501.33−1.25 −1.501.00−0.830.75 1.33−0.830.67−0.58 −1.250.75−0.580.50 1234 1234 n m 每一列都在 ±1/m 附近交錯

這張圖在說例 7 的失敗發生在哪一層:沿著任何一列往右看,符號一直翻,絕對值卻停在 1/m 附近不再變小——這一列沒有極限。可是整體往右下角走時,兩個 1/m 與 1/n 同時變小,值確實趨於 0。雙重極限看的是整塊,迭代極限得先逐列過關。

雙重極限存在,迭代極限仍可能連寫都寫不出來。缺的是「內層極限存在」這個獨立的條件——下一篇會證明,這也是唯一缺的東西。
—— 第三階段到此結束 ——

本篇把下標換成一對自然數:雙重極限要求表格右下角整塊都進 ε 球(19.4),而不必事先知道極限的 Cauchy 判準仍然成立(19.5)——證明的訣竅是先沿對角線造出候選極限。接著把「先跑一個下標、再跑另一個」定義成迭代極限,並用例 7 說明兩者確實不同:雙重極限存在時,迭代極限可能連定義都沒有。下一篇 §19-4 證明這是唯一的障礙,並反過來問:迭代極限存在且相等,夠不夠推出雙重極限?起來走走再回來。